Correction d’erreurs en temps réel pour l’informatique quantique

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La physique 14, 184

Une expérience montre que les erreurs de calcul quantique peuvent être corrigées à plusieurs reprises à la volée.

Honeywell Quantum Solutions/Quantinum

Calcul quantique sans tout le bruit. La puce à piège à ions utilisée pour le schéma de correction d’erreur contient dix qubits à ion unique alignés.

Les erreurs aléatoires encourues lors du calcul sont l’un des plus grands obstacles pour libérer toute la puissance des ordinateurs quantiques. Les chercheurs ont maintenant démontré une technique qui permet de détecter et de corriger les erreurs en temps réel au fur et à mesure que le calcul avance. Il permet également d’effectuer plusieurs corrections d’erreurs sur un même bit quantique (qubit) lors du calcul [1]. Les deux caractéristiques sont nécessaires pour créer les éléments de base – les qubits logiques – d’un ordinateur quantique entièrement tolérant aux erreurs qui peut être mis à l’échelle et utilisé pour des applications au-delà de celles spécialisées que ces machines ont abordées jusqu’à présent.

La correction d’erreur est simple sur les ordinateurs classiques : en conservant plusieurs copies de chaque bit, une erreur aléatoire (comme un 1 qui passe à un 0) peut être identifiée et corrigée à l’aide d’une règle de majorité simple. Mais cela ne peut pas être fait dans les ordinateurs quantiques, car le calcul repose sur les qubits adoptant des états quantiques qui ne sont ni 0 ni 1, et les mesurer détruit ces états délicats. Les états doivent donc rester inconnus, et un principe fondamental interdit la copie d’un état quantique inconnu.

Si les erreurs de qubit ne sont pas corrigées, elles s’accumuleront progressivement et submergeront le calcul de bruit aléatoire, limitant le nombre d’étapes qu’un algorithme quantique peut effectuer de manière fiable. Le problème devient plus difficile à gérer à mesure que le nombre de qubits augmente. C’est pourquoi les ordinateurs quantiques d’aujourd’hui n’ont qu’un nombre relativement faible de qubits « bruyants ». Le meilleur de ces circuits quantiques peut encore surpasser les ordinateurs classiques pour certains types de calculs, mais sans correction d’erreur quantique (QEC), la puissance et la portée de l’informatique quantique restent limitées.

Diverses méthodes QEC ont été proposées dans lesquelles plusieurs qubits physiques sont entremêlés mécaniquement quantique pour former un seul qubit logique qui a une certaine résistance aux erreurs. Mais ces schémas n’ont généralement permis qu’un seul cycle de correction d’erreur pour chaque qubit logique dans un calcul. Un autre problème est qu’elles ont généralement été rétrospectives – le résultat final est « post-corrigé » – mais toutes les erreurs ne peuvent pas être corrigées après coup.

Honeywell Quantum Solutions/Quantinum

Prêt pour l’action. La puce Quantinuum à l’intérieur de sa chambre à vide.

Une équipe de chercheurs de Quantinuum (anciennement Honeywell Quantum Solutions) à Broomfield, Colorado, a maintenant mis en œuvre une méthode qui surmonte certaines de ces limitations. Ils utilisent un schéma QEC proposé pour la première fois en 1996 par Andrew Steane de l’Université d’Oxford, Royaume-Uni [2]. Comme la plupart des autres approches QEC, elle implique des qubits auxiliaires supplémentaires, dont le travail consiste à signaler les erreurs dans les « qubits de données ». Dans chacune d’une série d’opérations, un qubit ancilla est intriqué avec un sous-ensemble de qubits de données, puis le qubit ancilla est mesuré. Ce processus permet de déduire certaines informations sur les qubits de données sans les mesurer directement.

Bien que l’idée de base existe depuis les années 1990, sa mise en pratique avec des schémas permettant de diagnostiquer et de corriger rapidement et à plusieurs reprises les erreurs dans un véritable circuit quantique avec des qubits de bonne qualité a posé un défi technologique énorme. Les algorithmes et le matériel développés par Ryan-Anderson et ses collègues traitent désormais ces problèmes.

Les chercheurs ont utilisé des qubits fabriqués à partir d’ions d’ytterbium isolés dans un piège électromagnétique. Le système permet à chaque ion d’être déplacé à proximité de tout autre ion pour permettre les opérations d’enchevêtrement. Les qubits sont incorporés dans les états électroniques quantiques des ions, qui peuvent être manipulés par des faisceaux laser. Pour lire un qubit, l’équipe frappe l’ion avec une impulsion laser et mesure sa fluorescence. De tels circuits quantiques à ions piégés sont déjà en cours de développement pour les ordinateurs quantiques commerciaux. Ryan-Anderson et ses collègues ont utilisé dix de ces ions de qubit physiques pour créer un seul qubit logique tolérant aux erreurs : sept d’entre eux étaient des qubits de données et les trois autres étaient des qubits ancilla.

L’équipe a montré qu’elle pouvait effectuer plusieurs cycles de détection et de correction d’erreurs sur chaque qubit de données dans le circuit et qu’elle pouvait détecter deux types distincts d’erreurs de qubit. Les efforts précédents pour réaliser plusieurs tours de correction d’erreurs n’ont fonctionné que pour un seul type. « Essentiellement, nous avons démontré pour la première fois tous les éléments nécessaires à un seul [error-tolerant] qubit logique », explique Ryan-Anderson.

« Il s’agit d’un travail expérimental de très haut calibre », déclare Steane. « C’est une chose de déduire par l’analyse l’effet de certaines opérations et mesures sur les qubits ; c’en est une autre d’y parvenir en laboratoire », comme l’équipe Honeywell l’a maintenant fait. Le travail a « mis en évidence les parties de tous les travaux théoriques sur la QEC et la tolérance aux pannes qui se sont avérées utiles dans la pratique », explique Steane.

« Il s’agit d’une avancée significative », déclare Laird Egan, ingénieur quantique pour la société IonQ, basée dans le Maryland, qui a déjà mis en œuvre des méthodes QEC pour les qubits à ions piégés. « Ce qui le distingue vraiment, ce sont les multiples séries de véritables corrections d’erreurs tolérantes aux pannes », ce que l’équipe IonQ n’a pas encore réalisé.

QEC exige que chaque qubit logique soit composé de plusieurs qubits physiques, de sorte que le qubit logique encourt plus de sources potentielles d’erreur que n’importe lequel de ses qubits composants. Idéalement, le QEC peut être suffisamment rapide pour que le taux d’erreur du qubit logique soit inférieur à celui de n’importe quel qubit physique, mais le QEC de l’équipe Honeywell, comme tous les autres développés jusqu’à présent, n’a pas encore atteint ce niveau. Ainsi, les erreurs s’accumuleront toujours plus rapidement qu’elles ne pourront être corrigées. Atteindre le soi-disant seuil de correction d’erreurs, lorsque QEC permet à un qubit logique de surpasser ses qubits physiques, « sera un gros prix pour celui qui l’atteindra », déclare Egan. « Je ne serais pas surpris de voir ce seuil atteint dans les prochaines années. »

Philippe Boule

Philip Ball est un écrivain scientifique indépendant à Londres. Son dernier livre estLes mythes modernes (University of Chicago Press, 2021).

Les références

  1. C. Ryan-Anderson et al., Réalisation d’une correction d’erreur quantique tolérante aux pannes en temps réel, Phys. Rév. X 11, 041058 (2021).
  2. AM Steane, Codes correcteurs d’erreurs en théorie quantique, Phys. Rév. Lett. 77, 793 (1996).

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